CN1218324A - 自起动脉振磁场永磁低速同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种自起动脉振磁场永磁低速同步电动机,具体地说是基于脉振磁场原理工作的,具有三相分段磁路和三相共磁路两种磁路结构形式的低速同步电动机,电机每极槽数等于1或接近1,电机结构简单,且有利于实现低速,大功率驱动。电机设计应满足一定制约条件以便获得更大的自起动能力。低速额定运行中的电机仍具有很高的效率和功率因数。这类电机在例如:电梯、油井抽油机、大功率低速同步传送机械装置等场合有广泛应用前景。

Description

自起动脉振磁场永磁低速同步电动机

本发明提出一种低速同步驱动电机，适用于工业机械的驱动以及需要低速或低速同步驱动的大功率电动装置。

目前的低速同步驱动，通常采用感应子式低速同步电动机，这种基于磁阻作用的电动机，因其原理、结构和工艺等原因的限制，难以做成大功率，1千瓦以上的感应子式低速同步电机已属罕见，而且这类电机力能指标较低。所以，目前大功率低速同步驱动，大都采用普通同步电动机经多级齿轮减速来实现，故驱动***效率较低，体积庞大，噪声亦大且成本较高。使用普通同步电动机或异步电动机闭环变频驱动控制***，当然也能实现低速同步驱动，但成本更高。

本发明的目的提出一种基于脉振磁场原理运行，具有新颖结构的低速同步驱动电机，可直接投入电网，实现大功率，高效率低速同步驱动。

本发明目的是这样实现的：本发明有两种磁路结构，即分段磁路结构和共磁路结构。先以分段磁路结构方案来说明低速同步驱动电机的运行原理。图3是一个单元电机(一相)的磁路结构。它由定子和转子构成。转子由径向表面磁钢1和磁轭2构成，做成薄壁圆筒结构。定子由硅钢片叠成的铁心3和嵌入槽中的线圈4构成。定子齿槽数Z与转子磁极数2p相等或接近相等，Z≈2p。定子齿距与转子极距相等或接近相等。线圈节距等于齿距，相邻反向串联。整台电机由三个单元电机同轴联接而成，转子相互错开

角。定转子通过端盖和轴承组合起来，由转轴输出转距。设气隙磁场呈正弦分布，则某相绕组磁链为

            ψ=ψ_mSinp(θ-θ_o)                  (1)式中：ψ_m--一相磁链幅值；θ--转子转角；θ_o--初始转角。

由于采用径向表面磁钢磁路结构，磁阻转矩可以略去不计，故当绕组中通以电流i=I_mSinωt时，该相产生的电磁力矩为

            T₁=pψ_mI_mCosp(θ-θ_o)sinωt= $\frac{1}{2}p{\mathrm{\ψ}}_m{I}_m[\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{p\θ}-p{\mathrm{\θ}}_0)+\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{p\θ}+{\mathrm{p\θ}}_0)---\left(2\right)$ 式中：I_m--电流幅值；ω--角频率，ω=314；t--时间。

由于三相三段磁路同轴联接，转子相互错开 角度，当三个相绕组通以三相对称电流，从式(2)可求得合成的电磁转矩为一脉振转矩： $T=\frac{3}{2}p{\mathrm{\ψ}}_m{I}_m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{p\θ}+p{\mathrm{\θ}}_0)---\left(3\right)$ 在同步稳速情况下，pθ=ωt，则稳态转矩为 $T=\frac{3}{2}p{\mathrm{\ψ}}_m{I}_m\sin p{\mathrm{\θ}}_0---\left(4\right)$ 尽管式(4)与传统的三相旋转磁场同步电动机的稳态转矩公式是一样的，但两者的结构和运行原理如上所述是不同的。本发明通过脉振磁场实现机电能量转换，传统同步电动机则通过旋转磁场实现机电能量转换，传统同步电动机每极下必须分布三相绕组，至少需要三个槽，而本发明每极下只有属于本相的一个槽，即具有每极槽数等于1或接近于1的特点，且为整距集中绕组，所以生产和制造非常方便；相同直径的电机，磁极对数可以增加到最大，也即

。众所周知，同步电动机的转速 $n=\frac{60f}{p}$ 可以看出，本发明在相同频率f情况下，可以获得最低的转速。

本发明的另外一种磁路结构，将电机做成三相共磁路结构，如图1和图2所示。电机的槽数也即齿数Z=6k,k=1,2,3,4,5,……，定子三相绕组各占2k个齿；每相绕组可以对径分布，如图1所示，也可以按相邻齿槽分布，如图2所示，电机转子亦采用径向磁路结构，其极数为 $p=\frac{Z}{2}\±1=3k\±1,$ 也即每极槽数 $Q=\frac{Z}{2p}=\frac{2p\±2}{2p}=1\±\frac{1}{p}$ ，接近1，且为分数槽电机。这样做虽然对转矩稍有削弱，但对自起动却十分有利。

在传统的概念中，同步电动机在无鼠笼绕组等起动装置时无法实现自起动，所以，自起动是本发明的一个关键问题，其过程十分复杂。下面在简化条件下，求取电动机能自起动的判据。

(1)认为在起动过程中起动转矩仍可用式(3)来表达。

(2)在起动过程总会出现t=0,θ=0的初始状态。

(3)不计阻尼和损耗。

根据条件(1)，起动转矩可表示为

            T_s=T_msin(t_e-θ_e)            (5)式中： $T_m=\frac{3}{2}p{\mathrm{\ψ}}_m{I}_s$ ，为起动电流I_s作用下的起动转矩幅值；

t_e=ωt；θ_e=pθ

根据条件(3)，引入力学方程 $T_s=J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{d{t}^2}=\frac{\mathrm{J\ω}}{p}\frac{d^2{\mathrm{\θ}}_e}{{\mathrm{dt}}_e^2}---\left(6\right)$ 式中：J是转子的转动惯量。

根据条件(3)，初态条件为t=0,θ=0，解式(5)和式(6)。在半周期内，即t_e=0～π，求取瞬时转速θ_e达到ω时所需的时间t_s，并定义自起动裕度K=1-t_s/π。经求解，裕度K与角加速度 $\mathrm{\α}=\frac{T_{m}p}{\mathrm{J\ω}}$ 的关系如图5曲线所示。可以看出，只有当a值大于120(1/S²)时裕度K才大于零，即在半周期内转子能加速到同步转速，牵入同步。α值越大，裕度增大，自起动能力增强。电动机能自起动条件是 $\mathrm{\α}=\frac{T_{m}p}{\mathrm{J\ω}}>1201/S^2---\left(7\right)$ 或            K＞0                             (8)

本发明采用表面磁钢结构，其转子惯量主要取决于薄壁圆筒体。经推导，加速度a可表示为 $\mathrm{\α}=\frac{T_{m}p}{\mathrm{J\ω}}=\frac{\sqrt{2}\mathrm{\πBA}}{2\mathrm{\ωrb\τ}}---\left(9\right)$ 式中，B是电机磁负荷，A是电机的线负荷，r是磁极材料密度，b是磁钢和磁轭的总厚度，τ是极距，式中各量的单位均为国际单位。于是，当电机三相绕组接对称的三相工频电网后，在三相绕组产生的脉振电磁转矩作用下，电机自起动并牵入同步运行。为了避免负载具有的转动惯量在起动过程中直接作用在电机转轴上，电机与负载之间采用，齿轮、皮带、拨盘联轴节等弹性或小间隙联接。从而确保本发明电机可靠地带负载自起动并牵入同步运行。

可以明显看出本发明低速同步驱动电机具有效率高，结构简单的优点，由于每极槽数接近1，有利于实现低转速和大功率驱动。这类电机可以用于电梯，油井抽油机，大功率低速同步传送机械装置等场合。

图1为本发明同相齿槽对径分布共磁路结构

图2为本发明同相齿槽120°分布共磁路结构

图3为本发明极槽数相等分段磁路单元电机结构

图4为本发明图3右剖视图

图5为本发明自起动裕度K与加速度α之间关系曲线

实施例1：采用共磁路结构，转子采用钕铁硼径向表面磁钢磁路，并取如下数据：B=0.8T；A=47000A/m；r=7800kα/m³；b=0.012m；τ=0.012m。代入式(9),a=234 1/S²满足自起动条件。电机主要参数为：功率1000W，线电压380伏，相电流3.12A，额定转矩89.1Nm，极对数28，转速107rpm，定子槽数54，铁心内径214mm，铁心长46mm。电动机通过有间隙的联轴节与负载相联，投入电网后，瞬时牵入同步，并运行在额定状态。额定状态下，电机效率η=0.77，功率因数Cosφ=0.6。

实施例2：采用分段磁路结构，转子采用钕铁硼径向表面磁钢磁路，并取B=0.8T；A=50000A/m；r=7800kg/m³；b=0.014m；τ=0.012m，代入式(9),α=216 1/S²满足自起动条件。电机主要参数为：功率32KW，线电压380伏，相电流96A，额定转矩11800Nm，极对数113，转速26.5rpm，定子槽数226，铁心内径860mm，单元电机铁心长120mm。电动机通过有间隙的联轴节与负载相联，投入电网后，瞬时牵入同步，并运行在额定状态。额定状态下，电机效率η=0.78，功率因数Cosφ=0.65。

Claims (3)

1．一种自起动脉振磁场永磁低速同步电动机，其特征在于：转子由径向表面磁钢1和磁轭2构成，为薄壁圆筒状，定子由硅钢片叠成的铁心3和嵌入槽中的线圈4构成，定子齿槽数Z与转子磁极数2p相等或接近相等，定子齿矩与转子极距相等或接近相等，线圈节距等于齿距，相邻反向串联，整个电机由三个单元电机同轴联接而成，转子相互错开

角，定转子通过端盖和轴承组合起来，由转轴输出转距。

2．根据权利要求1所述的同步电动机，其特征在于：电机的槽数Z=6k，定子三相绕组各占2k个齿，每相绕组可以对径分布，也可以按同相齿槽120°分布，转子采用径向磁路，极数 $p=\frac{Z}{2}\±1=3k\±1$ ，每极槽数 $Q=\frac{Z}{2p}=\frac{2p\±2}{2p}=1\±\frac{1}{p}$

3．根据权利要求2所述的同步电动机，其特征在于：k=1,2,3,4,5,……。

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